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人造钻石!到底是怎么造出来的?

发布日期:2019-09-19   来源:制造原理

  一说起钻石大家就会将它与爱情联系起来,由于钻石是目前发现的最坚硬的宝石,所有它被看作是爱情坚贞不渝的象征,同时钻石的价格也非常昂贵,所以钻石在被人类发现以后,立刻就成为最好的宝石,成为全世界公认的“宝石之王”。

  钻石的价格昂贵还有就是它的稀缺性,一颗天然钻石要几十亿年才能生成,随着技术的发展,人们开始尝试在工厂里生产钻石,还有就是电影《血钻》揭露了非洲开采钻石的血腥,还会对环境造成破坏,国际社会积极提倡人工合成钻石,这也加速了人造钻石的发展。

  钻石也叫金刚石,这种矿物的主要成分是碳元素,它的特殊结构让其非常坚硬,加工难度大,具有硬度高,化学稳定性好,韧性差等特点,钻石的单位叫克拉(Ct),1克拉等于0.2克。 

  古代,在钻石还没有被发现时,人类的各大古代文明都有自己的宝石,如中国古代就将玉石作为宝石,欧洲人将琥珀作为宝石,还有的将祖母绿作为宝石。

  直到2500年前,有人在印度河流中捡到了钻石的原矿石,人们发现这种石头非常坚硬,可以切割打磨任何物体,由于其非常难得,将它视为权力和地位的象征。

  到18世纪,经过加工后的钻石出现在最高统治者的权杖和皇冠上。

  随着钻石的原矿石矿藏在非洲被发现,钻石的数量开始增多,就已不再只有统治者才能拥有,它也变成了财富的象征。

  钻石号称世界上最硬的天然物质,硬度是铁的2倍多,那么用铁锤去砸钻石会是什么结果嘞,结果是铁锤会将钻石砸碎,钻石不是最硬的物质吗?怎么干不过铁锤啊。

  这是钻石的特殊内部结构造成的,钻石的原子晶体结合力很强,这就是它坚硬的原因,但在天然形成的过程中也会有一些错位,滑移,杂质等缺陷,这么强的组合当受到外力冲击时,就会自身不变形将这个外力层层传递下去,这个冲击力在某些缺陷部位造成结构性破坏,这个结构破坏会沿着一个面传递下去,从而使整个钻石裂开。

  虽然钻石的硬度是最高的,但是它的韧性(脆性)却很低,也就是物体抗破裂能力很差,一个物体韧性越高就越不容易破裂,而钻石的韧性与玻璃几乎一样,这也就是钻石容易被砸碎的原因之一。

  在地球内部100~300公里处,压力为4500~6000兆帕,温度1000~1500摄氏度,这个环境是高温高压,犹如一个炼炉般的过程中,由碳元素组成的结晶体经过数亿年,最后形成了天然钻石,再由火山喷发将其带到地表,这就是天然钻石的形成过程。

  人造钻石又叫它培育钻石,是模拟天然钻石结晶的过程而生产出来的钻石;有两种钻石生长法。

  高温高压法(HPHT)只能做小颗粒钻石,具有成本低,纯度低等特点,这种钻石处于中低端,作为工业用途,如用来制造钻头,刀具等;

  化学气体沉积法(CVD)能做大颗粒钻石,具有成本高,纯度高等特点,这种方法制造的钻石能达到高级钻石的颜色和纯净度。

  化学气体沉淀法

  首先用激光从人造钻石或天然钻石上削下细小的薄片,这块薄片就好比是人造钻石的种子,激光会让钻石薄片变黑,还要对这块钻石薄片抛光,在钻石薄片周围涂上树脂和化学剂,让钻石薄片完全固定在钢块上。

  将固定有钻石薄片的钢块旋接在螺纹杆上,放入带有钻石颗粒的转轮上,让钻石薄片与钻石颗粒接触,转轮旋转时会产生摩擦力,钻石是最坚硬的矿物,只有其它钻石能有效抛光钻石,前后差别非常惊人,钻石薄片表面会变得晶莹剔透。

  现在就可以开始培养了,用夹子将钻石薄片放在特制的金属底座上,它们之间留有生长所需的足够空间。

  用金属箱盖住它们,注入氢气和甲烷气体,机器内会增加压力,还将钻石薄片加热到1千摄氏度以上,甲烷会分解出碳原子,形成等离子体降落在钻石薄片上,沉淀结晶帮助它们长大。

  钻石能以每小时0.006毫米的速度生长,两天时间就能获得周围包裹着石墨的钻石。

  但这些粗糙的钻石还需要加工才能发出光芒,在尖头钢棒上涂上树脂,将人造钻石粘在树脂上,通过不断旋转激光会切削修整每个面,让人造钻石变得晶莹剔透。

  通过放大镜检查品质,还要放入另一个抛光转轮将钻石修剪成经典的钻石形状,就会让钻石更加闪亮夺目,

  高温高压法

  这种方法也需要用钻石薄片作为人造钻石的种子,再将提纯后的碳元素金刚石粉,起催化作用的镍铁,和钻石种子装入生长舱中。

  将生长舱放入一台分球式顶压机中,启动时顶压机产生5000~6000兆帕的高压,通过导电让生长舱上的加热棒加温,让生长舱内的温度达到1200摄氏度以上,还要让生长舱内上下有20~50摄氏度的温差,金刚石粉将熔化成移动的碳原子,高温区的碳原子会向低温区扩散,不断沉积在钻石种子上,经过一周就能生长出一颗人造钻石。

  人造钻石也是真实的钻石,成分及性质和天然钻石都一模一样,两者之间只有通过特殊的仪器才能区分,比如在阴极发光仪下人造钻石的生长呈多边几何状,而天然钻石会呈环带状。

  目前中国是世界上人造钻石的主要生产国,从工业级人造钻石到高品质的宝石级钻石,从几克拉到几十克拉都能人工培育,人造钻石的价格比天然钻便宜40%左右,也许人造钻石有一天真的会像养殖珍珠般发展。

  人造钻石不仅可以用作各种珠宝,通讯,半导体等行业上,更重要的是科学家可以利用这些物理化学性质,随温度压力而产生的变化,作为探索地球内部的研究基础。